明膠/CMC復合凝聚法制備微膠囊研究

張海洋 呂 怡 倪 悅 張曉鳴

（江南大學食品學院，江蘇 無錫 214162）

明膠/CMC復合凝聚法制備微膠囊研究

張海洋 呂 怡 倪 悅 張曉鳴

（江南大學食品學院，江蘇 無錫 214162）

以明膠和CMC（羧甲基纖維素鈉）為壁材，肉桂醛為芯材，通過復合凝聚法制備球形多核微膠囊。研究明膠/CMC比例、pH、壁材濃度、芯壁比等參數對膠囊形態、粒徑及包埋效果的影響。試驗確定最佳工藝參數為：明膠/CMC比例9∶1，pH 4.6～4.7，壁材濃度1%，芯壁比2∶1。在此條件下制備的微膠囊球形較好，表面光滑，粒徑均一。與明膠/阿拉伯膠制備的微膠囊相比，形態相似，產率較高，而壁材成本大大降低。

明膠；CMC；復合凝聚；肉桂醛

復合凝聚法是以兩種高分子聚合物為壁材，在適當的條件下，使帶相反電荷的聚合物發生靜電吸附作用，從而包埋芯材的一種微膠囊化方法［1－2］。由于它具有很高的有效載量、基于機械力或溫度的控制釋放以及緩釋能力［3］，是一種極具特色又富有前途的微膠囊化方法［4］。

目前的復合凝聚微膠囊技術多以明膠和阿拉伯膠為壁材，對其它壁材組合的研究不多。市售的阿拉伯膠價格較高，質量也不太穩定，對微膠囊的生產影響很大。理論上帶負電荷的高分子材料都可以與帶正電荷的明膠發生復凝聚反應，作為復合凝聚微膠囊的壁材［5］。本試驗以明膠和CMC為壁材，肉桂醛為芯材進行微膠囊化試驗，以微膠囊的形態、粒徑分布、包埋率為指標，對包埋條件進行優化。

1 材料與方法

1.1 材料與設備

明膠、CMC、冰醋酸、氫氧化鈉：上海國藥集團化學試劑有限公司；

肉桂醛標準品：成都曼思特生物科技有限公司；

肉桂醛：江西省吉安市恒誠天然香料油提煉廠；

酶固化劑：江南大學食品科學與技術國家重點實驗室提供；

數顯高速分散機：FJ200－S型，上海標本模型廠；

懸臂式攪拌器：RW20.n型，廣州儀科實驗室技術有限公司；

pH計：DELTA 320型，梅特勒－托利多儀器上海有限公司；

熒光生物顯微鏡：BX51型，日本奧林巴斯公司；

紫外可見分光光度計：UV－1600型，上海美譜達儀器有限公司；

激光粒度儀：Mastersizer2000型，英國馬爾文儀器有限公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 復合凝聚微膠囊的制備 將一定比例的明膠和CMC在熱水中攪拌溶解，加入芯材肉桂醛，10 000r/min高速分散乳化2～3min。乳狀液倒入三口燒瓶中，45℃下恒溫勻速攪拌，調節pH至適當值，反應一定時間。降溫到15℃ 以下，調節pH至中性，加入酶固化。產品經抽濾，水洗，得到濕囊。濕囊可冷凍干燥，也可以一定固形物含量分散于水中進行噴霧干燥。

1.2.2 微膠囊形態的觀測 在攪拌過程中用吸管吸取一滴微膠囊分散液置于載玻片上并鋪平，使用熒光生物顯微鏡觀察其形態并拍照。放大倍數100倍。

1.2.3 微膠囊粒徑分布測量 將制備的微膠囊懸濁液攪拌均勻，用吸管吸取少許，使用激光粒度儀測定微膠囊的粒徑分布，分散劑為水。

1.2.4 微膠囊包埋效果測定

（1）肉桂醛標準曲線的測定：精密吸取一定質量的肉桂醛標準品和樣品，用乙醇稀釋到一定濃度。以乙醇為空白，在190～350nm范圍內做紫外掃描，肉桂醛標準品與樣品最大吸收波長同為285nm。使用標準品制備肉桂醛紫外吸收標準曲線，得到回歸方程A＝ 0.1627C－7×10－5（R2＝0.999 8）。通過計算樣品中肉桂醛含量為96.15%。

（2）微膠囊產率的測定：精確稱取一定質量的微膠囊濕囊置于250mL錐形瓶中，加入50mL無水乙醇，震蕩提取30min。加入無水硫酸鈉去除水分，過濾，精密吸取一定量濾液并稀釋，測定其在285nm的吸光值，根據標準曲線按式（1）計算微膠囊中肉桂醛的含量。

（3）微膠囊效率的測定：精確稱取一定質量的微膠囊濕囊置于250mL錐形瓶中，加入30mL石油醚，震蕩提取15min，過濾，加入無水硫酸鈉去除水分，將濾液轉移到150mL平底燒瓶中，旋轉蒸發至近干，用氮氣吹去剩余石油醚，用乙醇溶解肉桂醛并稀釋到一定濃度，在285nm測定其吸光值，按式（2）計算微膠囊表面肉桂醛含量。

2 結果與討論

2.1 微膠囊制備工藝優化

2.1.1 pH的選擇 復合凝聚是由靜電相互作用引起的兩種帶相反電荷膠體的凝聚反應。復合凝聚的主要應用之一即制備微膠囊［6］。當明膠/CMC比例一定時，pH會影響它們產生的復合凝聚物的量和性質。Weinbreck等［7］通過試驗證實復合凝聚物的高黏度主要來源于蛋白質與多糖由于靜電相互作用產生的吸引力，黏度高低主要取決于pH。

圖1為明膠/CMC比例為9∶1時不同pH制備的微膠囊形態。由圖1可知，pH在4.5到4.7之間可以形成球形微膠囊，其粒徑隨pH降低而逐漸增大。pH低至4.4時，壁材凝聚過度，形成條形、團聚等不規則微膠囊；當pH升至4.8時，復合凝聚物黏度太小，壁材凝聚不充分，無法形成球形多核微膠囊，而只形成小的條狀凝聚物和梭狀單核微膠囊，在此條件下壁材利用率較低，且難以通過過濾分離，無法進行下一步研究和具體的應用。

圖2為明膠/CMC比例為9∶1，pH 4.5～4.7時的微膠囊產率、效率比較。由圖2可知，當明膠/CMC比例一定時，微膠囊的產率隨pH變動不大，效率則相差比較大。效率下降的原因可能是由于pH的改變導致復合凝聚物性質的變化。當pH偏離最佳點時，復合凝聚物與芯材的親和力下降，對芯材的包埋效果變差，更多的芯材黏附于微膠囊表面，使效率下降。對于揮發性強的芯材，表面油含量過高會導致干燥過程中揮發損失較大，而對于易氧化的芯材，表面油容易在干燥過程中變質，所以效率下降會降低微膠囊對芯材的保護效果［8］。

圖1 pH對微膠囊形態的影響Figure 1 Effect of pH on morphology of microcapsules

圖2 pH對微膠囊包埋效果的影響Figure 2 Effect of pH on the efficiency and yield of microcapsules

圖3為明膠/CMC比例為9∶1時pH對微膠囊的粒徑分布的影響。粒徑的增加是因為pH下降使明膠帶有更多的正電荷，能夠同CMC發生更為強烈的相互作用，形成具有更高黏度的復合凝聚物［7］，從而更容易吸附聚集形成粒徑較大的微膠囊。由于pH對復合凝聚微膠囊粒徑分布的影響較為顯著，因此通過調節pH，能夠制備具有特定平均粒徑的微膠囊。

圖3 pH對微膠囊粒徑分布的影響Figure 3 Effect of pH on particle size distribution of microcapsules

由以上結果可看出，pH 4.6～4.7制備的微膠囊，球形較好，粒徑均一，產率、效率均較高，所以選取此pH條件。

2.1.2 壁材比例的選擇 明膠/CMC比例從7∶1到11∶1，在各比例的最佳pH下制備微膠囊，觀察微膠囊形態，測量產、效率。圖4為明膠/CMC各比例下制備得到的最佳微膠囊形態及對應pH。

圖4 明膠/CMC不同比例時的最佳微膠囊形態及對應pHFigure 4 The optimal microcapsule morphology at corresponding pH in different gelatin/CMC ratio

由圖4可知，從7∶1到9∶1，微膠囊達到較好形態的pH逐漸升高，而從9∶1到11∶1，在相同pH下微膠囊的粒徑逐漸增大。隨著明膠/CMC比例的改變，凝聚反應的最佳pH也在改變。因為復合凝聚反應是通過改變pH來調節蛋白所帶的正電量，使其中和多糖所帶的負電，從而形成中性的復合凝聚物來包埋芯材的。單個明膠分子所帶的正電隨著pH的降低而增強［9］。CMC分子在較寬的pH范圍內均帶負電，電量變化不大。所以當明膠/CMC比例改變時，明膠所應攜帶的能夠中和CMC負電的正電量，以及使明膠攜帶此正電量的pH均會隨之改變。

圖5為明膠/CMC各比例下微膠囊的最高產率、效率比較。由圖5可知，微膠囊的產率隨壁材比例變化不大，但效率相差較大。這可能是因為改變蛋白質與多糖的比例會改變復合凝聚物的黏度［10］，進而改變與芯材的親和力。明膠/CMC比例為9∶1時，復聚物與芯材的親和力最強，微膠囊的產率、效率均較高。

圖5 明膠/CMC不同比例制備的微膠囊的最佳包埋效果Figure 5 The optimal efficiency and yield of microcapsules made in different gelatin/CMC ratio

2.1.3 壁材濃度的選擇 圖6為壁材總濃度對成囊效果的影響。壁材濃度為0.5%時，也可以形成球形微膠囊，但其大小不一，粒徑極不均勻。這可能是因為溶液中膠體濃度下降導致體系乳化性能變差，穩定性降低，乳狀液液滴容易聚集形成較大的微膠囊，之后體系中油滴密度相對變小，于是形成許多粒徑極小的微膠囊和未包含芯材的空凝聚物球。這樣會使壁材的利用率降低，而且粒徑太小的微膠囊也會堵塞濾紙，無法進行分離及之后的操作。

圖6 壁材濃度對微膠囊形態的影響Figure 6 Effect of wall material concentration on morphology of microcapsules

壁材濃度為1%時，乳狀液穩定性較好，形成的微膠囊粒徑均一，形態較好。當壁材濃度升至2%時，明膠與CMC形成的復合凝聚物的量大大增加，已經無法形成球形微膠囊，而是生成內含大量油滴的巨大條狀凝聚物。試驗表明制備微膠囊的最佳壁材濃度為1%。

2.1.4 芯壁比的選擇 圖7顯示了芯壁比對微膠囊形態的影響。芯壁比為0時（即純壁材明膠＋CMC），復合凝聚物呈長條狀；芯壁比為1∶3時，生成的微膠囊也呈長條狀；芯壁比升至1∶2以上，微膠囊才呈球形。這可能是因為明膠/CMC形成的復合凝聚物與明膠/阿拉伯膠不同，必須要有足夠的芯材分散油滴作為核心才可能形成球形微膠囊。芯壁比從1∶2上升至2∶1，均可形成形態較好的球形微膠囊。隨著芯壁比的增加，微膠囊粒徑略有增大，其中包埋的油滴密度逐漸增大，內部油滴與外壁的距離縮小。這與Green等［11］的芯材用量越大，包埋后微膠囊囊壁越薄的結論是一致的。但當芯壁比上升至2.5∶1和3∶1時，由于懸浮液中的乳狀液滴數量大大增加，相互吸附作用增強，形成不規則的長條狀或橢圓狀微膠囊。

圖7 芯壁比對微膠囊形態的影響Figure 7 Effect of core material/wall material ratio on morphology of microcapsules

圖8為不同芯壁比制備的微膠囊的產率、效率比較。由圖8可知，微膠囊的產率是隨芯壁比的增加而上升的。芯材量低于某一特定值時，芯材壁材混合體系的黏度，或混合體系間的結合力太低，芯材無法保持于壁材聚合物顆粒中。所以微膠囊后芯材物質的保留率，基本是隨著芯壁比的增加而上升的［12］。芯壁比上升，微膠囊的包埋效果變得更好。芯壁比為2∶1時制備的微膠囊形態完好，粒徑均勻，芯材的保留率最高。所以選擇此條件。

圖8 芯壁比對微膠囊包埋效果的影響Figure 8 Effect of core/wall material ratio on the efficiency and yield of microcapsules

2.2 明膠/CMC微膠囊與明膠/阿拉伯膠微膠囊的比較

圖9～10為分別以明膠/CMC與明膠/阿拉伯膠為壁材制備的微膠囊的包埋效果比較。明膠/CMC微膠囊工藝條件為：明膠/CMC比例9∶1，pH 4.6～4.7，壁材濃度1%，芯壁比2∶1。明膠/阿拉伯膠微膠囊工藝條件為：明膠/阿拉伯膠比例1∶1，pH 4.0，壁材濃度1%，芯壁比1∶1［13］。由圖9可知，新壁材制備的微膠囊與明/阿微膠囊形態相似，均為球形多核微膠囊，球形完整，壁膜光滑，而且新壁材微膠囊的粒徑均一性要好于明膠/阿拉伯膠微膠囊。使用明膠和CMC作為壁材時，和明膠/阿拉伯膠一樣能夠很好地將芯材肉桂醛包埋在微膠囊中。

圖9 明膠/CMC微膠囊與明膠/阿拉伯膠微膠囊的形態比較Figure 9 Morphology of microcapsules made of gelatin/CMC and gelatin/Gum Arabic

圖10 明膠/CMC與明膠/阿拉伯膠微膠囊的產/效率比較Figure 10 Comparison of yield/efficiency of microcapsules made of gelatin/CMC and gelatin/Gum Arabic

由圖10可知，新壁材制備的微膠囊效率與明膠/阿拉伯膠微膠囊相近，產率明顯高于后者。這可能與明膠/CMC與明膠/阿拉伯膠形成的復合凝聚物與芯材的親和力不同有關。

3 結論

使用明膠和CMC（羧甲基纖維素鈉）為壁材，肉桂醛為芯材，成功制備得到球狀多核微膠囊，球形完整，表面光滑，粒徑均一。新壁材制備的微膠囊與明膠/阿拉伯膠微膠囊形態相近，產率有了較大的提高。并且由于用CMC取代了價格相對昂貴的阿拉伯膠，使壁材成本大大降低。不過由于固化劑用量是根據明膠量計算，壁材中明膠用量的上升導致了固化劑用量的增加，故需要尋找價格更為低廉的無毒可食用固化劑。對于新壁材制備的微膠囊對芯材的保護效果尚需進一步的研究。

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Study on microencapsulation technology by gelatin/CMC complex coacervation

ZHANG Hai－yang LV Yi NI YueZHANG Xiao－ming

（School of Food Science and Technology，Jiangnan University，Wuxi，Jiangsu214162，China）

Microencapsulation of cinnamaldehyde using complex coacervation of gelatin and CMC （carboxymethyl cellulose）was investigated.The influence was studied of such parameters as gelatin/CMC ratio，pH，wall material concentration，core/wall material ratio on the morphology，particle size distribution and embedding effect of microcapsules.The optimal technical parameters were as follows：gelatin/CMC ratio 9∶1，pH 4.6～4.7，wall material concentration 1%，core/wall material ratio 2∶1.Microcapsules made under these parameters have nice spherical shape and uniform particle size.Compared with the gelatin/Gum Arabic microcapsules，it has similar morphology，much better embedding effect，but lower cost.

gelatin；CMC；complex coacervation；cinnamaldehyde

10.3969 /j.issn.1003－5788.2010.05.013

國家科技支撐計劃（編號：2006BAD27B04）

張海洋（1985－），男，江南大學在讀研究生。E－mail：jndxzhy0401＠126.com

張曉鳴

2010－05－11